本研究从人因工程学视角探讨了在头戴式显示器上实现的合成视觉系统在操作层面的考量。鉴于合成视觉系统和航空头戴式显示器的应用与发展日益增多，美国联邦航空管理局的相关方要求提供信息，以识别知识缺口，为未来的研究需求提供依据，并明确现行相关法规中尚未包含的、关于飞行员培训以及设备功能性、直观性和潜在危险评估的标准。本文概述了商用综合视觉系统、增强视觉系统以及在头戴式显示器上实现的合成视觉系统；综述了已发表的关于在头戴式显示器上实现合成视觉系统的科学文献；并呈现了一项针对70名自报对合成视觉系统或头戴式显示器有中等或更高熟悉度人士的调查结果。该调查旨在征集关于行业兴趣、以及关于在头戴式显示器上实现的合成视觉系统的人因与操作考量的专家意见。附录包含了针对使用在头戴式显示器上实现的合成视觉系统的示例培训主题。

图1：头戴式显示器合成视觉系统文献综述搜索流程概览

本研究从人因工程学视角探讨了使用在头戴式显示器上实现的合成视觉系统的操作考量。鉴于合成视觉系统和航空头戴式显示器在开发与应用方面的进展，美国联邦航空管理局相关方要求提供信息，以识别知识缺口，为未来的研究需求提供依据，并明确现行相关法规中尚未包含的、关于飞行员培训以及评估设备功能性、直观性和潜在危险的标准。为达成这些目标，本文包含了对商用综合视觉系统、增强视觉系统以及在头戴式显示器上实现的合成视觉系统的概述；对已发表的关于在头戴式显示器上实现的合成视觉系统的科学文献的综述；以及对70名自报对合成视觉系统或头戴式显示器熟悉度为中等或更高的人士的调查结果。附录包含了潜在培训主题的示例。

头戴式显示器上实现的合成视觉系统现状与未来方向。目前，至少有两家美国以外的航空公司在使用头戴式显示器显示综合视觉系统进行飞行操作，但均未单独使用合成视觉系统。目前至少有四家航电原始设备制造商提供航空头戴式显示器，但均未单独使用合成视觉系统；其中三家用于综合视觉系统，一家用于混合现实（包括实时图像和增强现实）。基于一项对航电原始设备制造商代表的匿名调查结果，一些目前未在头戴式显示器上提供增强视觉系统、综合视觉系统、合成视觉系统或外部视觉系统的受访者表示，计划在未来1至6年内在头戴式显示器上提供至少其中一种选项。类似地，对航空器运营商或航空公司代表的调查结果表明，一些受访者计划在未来10年内获取头戴式显示器，用于合成视觉系统、综合视觉系统和增强视觉系统。总体而言，调查结果显示航空业对在飞行操作中使用头戴式显示器有兴趣，但鉴于美国联邦航空管理局关于增强飞行视觉系统操作的现行法规和政策，为增强视觉系统和综合视觉系统建立商业案例可能更容易。一些调查受访者提到，在追求头戴式显示器实现的合成视觉系统技术之前，需要市场接受度的证明和操作效益的证据。

头戴式显示器上实现的合成视觉系统研究文献综述。一项文献检索确定了159篇与航空合成视觉系统相关的研究文章，其中10篇专门关注在头戴式显示器上实现的合成视觉系统或外部视觉系统。所有10篇文章均提供了在飞行模拟器中由飞行员参与者参与的“人在回路”实验的结果。八篇文章关注固定翼操作，两篇文章关注旋翼机操作。其中六项研究检查了进近和着陆操作，四项检查了滑行操作，两项检查了异常姿态识别与改出，一项检查了起飞操作，一项检查了航路操作，一项检查了悬停机动。对于两篇关注旋翼机的文章，主题涉及直升机海上操作，包括使用头戴式显示器上的外部视觉系统来弥补水面上视觉线索的缺乏、水面上不利的视觉运动、合成海洋表面的建模方法以及不同三维透视视图的效果。对于八篇关注固定翼的研究，主题涉及合成视觉系统的显示类型；符号设计；头戴式显示器的人机工程学；单目光学；提供无限视野的环境视觉；合成视觉系统图像质量；合成视觉系统显示颜色；以及与传统信息来源的比较。研究场景用于评估头戴式显示器上合成视觉系统在防止可控飞行撞地事故、滑行侵入、异常姿态识别与改出以及在进近紧密平行跑道期间的有效性。

这些研究的结果可以归纳为若干主题。一些研究指出了参与者舒适度方面的问题，例如关于压力点、过热点和眼疲劳的报告，表明头戴式显示器的重量、尺寸、平衡性和舒适度是重要的人因问题。与合成视觉系统符号和图像相关的主题构成了第二个主要主题。例如，一项研究的结果表明，交通符号的大小和颜色影响了滑行侵入事件的探测率。符号亮度、对比度、直观性和图像分辨率也被确定为重要的设计考量因素。第三个主题与合成视觉系统的显示类型有关，例如比较在平视显示器、下视显示器和头戴式显示器上实现的合成视觉系统。总体而言，合成视觉系统的显示类型对飞行性能指标没有显著的操作性影响。例如，在地形复杂环境中进行盘旋机动时，显示类型并未对垂直或侧向导航路径性能产生显著影响。在第二项研究中，参与者在使用下视显示器或头戴式显示器上的合成视觉系统时，能够从异常姿态情景中改出。在第三项研究中，不同合成视觉系统显示类型之间的进近和接地性能指标没有可靠的差异。第四个主题涉及不同信息来源的效果。例如，将头戴式显示器上的合成视觉系统与其他信息来源进行了比较。这些研究的结果表明，在某些情况下，基于信息来源的性能没有显著差异，而在其他时候，更先进的电子显示器存在操作优势。两项旋翼机研究针对海上操作的具体任务，例如在风力涡轮机附近悬停或接近海上平台。这些研究的结果表明，在头戴式显示器上实现的外部视觉系统为应对与海面缺乏视觉线索相关的危险以及模拟海面上的风和运动线索提供了一个有前景的解决方案。总体而言，合成视觉系统头戴式显示器研究的结果确定了显示设计的重要性，并且显示在头戴式显示器上的合成视觉系统有潜力在多项飞行任务和飞行阶段为飞行员或机组提供支持。

关于头戴式显示器实现的合成视觉系统人因与操作考量的专家意见调查。本研究的目的是调查关于行业兴趣、以及关于在头戴式显示器上实现的合成视觉系统的人因与操作考量的专家意见。调查结果来自70名自报对合成视觉系统或头戴式显示器有中等或更高熟悉度的受访者，包括对多项选择题和自由回答问题的回复。在70名受访者中，31.4%就职于政府机构；25.7%就职于设计、制造、供应或维修航电系统的公司；25.7%就职于设计和制造飞机的公司；12.9%就职于航空器运营商或航空公司；2.9%自认为高级视觉主题专家顾问或就职于设计和开发电子飞行包软件的软件公司；1.4%报告自己是飞行员但不从事航空业工作。专家受访者指出了合成视觉系统的益处，例如增强情境感知，以及对不同类型飞行操作（包括非精密和精密进近）、不同飞行阶段（包括进近、着陆和复飞）以及不同运行环境（如夜间运行）的安全或操作益处。专家们也指出了合成视觉系统对目视飞行规则运行的安全或操作益处，例如地形和障碍物感知，以及在城市环境中目视发现跑道可能更困难时对机场的定向。专家对合成视觉系统的关切主要集中在地形和障碍物数据库信息的准确性、对全球定位系统欺骗或干扰的易感性，以及显示杂乱或着色问题。具体到头戴式显示器上的合成视觉系统，关切与头戴式显示器的适配性、头戴式显示器随时间推移的移位、头戴式显示器的突然移动以及飞行员舒适度有关。此外，专家受访者提到了对单目和双目光学效果的担忧；冒险行为增加的可能性；视图一致性；视觉分心和混淆的可能性；遮挡或模糊真实世界场景；以及操作上的担忧，例如佩戴氧气面罩和头戴式显示器日常维护的实用性问题。培训建议主要集中在强调系统限制；针对不同参考速度下发动机故障的模拟机培训；机组协调；保持有效目视扫描的重要性；符号和跑道标志；显示控制和调整；交通和障碍物识别；以及不同飞行阶段视野范围的影响。

附录。附录包含了以下领域的潜在培训主题示例：硬件与软件；人机工程学；航空器飞行信息、符号与图像；非正常、不正常及紧急情况；相关系统与组件；机组协调程序；地面培训；飞行前；滑行；起飞；爬升；巡航；下降；进近；着陆；滑跑；复飞；中断着陆；以及飞行后。这些示例并非美国联邦航空管理局要求的培训领域，而是作为通过文献综述、调查研究、主题专家咨询和技术标准文件审查所识别的关键主题示例提供。